De Webb-telescoop gaat op zoek naar tekenen van leven daarbuiten

Deze maand markeert een nieuw hoofdstuk in de zoektocht naar buitenaards leven, wanneer de krachtigste ruimtetelescoop die ooit is gebouwd planeten begint te bespioneren die rond andere sterren draaien. Astronomen hopen dat de James Webb Space Telescope zal onthullen of sommige van deze planeten atmosferen hebben die mogelijk leven ondersteunen.

Het bepalen van de atmosfeer in een ander zonnestelsel zou al cool genoeg zijn. Maar er is een kans – zij het klein – dat een van deze atmosferen een zogenaamde biosignatuur biedt: een verwijzing naar het leven zelf.

“Ik denk dat we planeten kunnen vinden waarvan we denken dat ze interessant zijn – je weet wel, goede vooruitzichten voor het leven”, zei Megan Mansfield, een astronoom aan de Universiteit van Arizona. “Maar we zullen niet per se in staat zijn om het leven meteen te identificeren.”

Tot dusver is de aarde de enige planeet in het universum waarvan bekend is dat er leven bestaat. Wetenschappers sturen al bijna 60 jaar sondes naar Mars en hebben Mars nog niet gevonden. Maar het is denkbaar dat het leven zich verbergt onder het oppervlak van de rode planeet of wacht om ontdekt te worden op de maan van Jupiter of Saturnus. Sommige geleerden hebben hier hun hoop op uitgesproken VenusOndanks de verzengende atmosfeer van wolken zwaveldioxide, is het misschien de thuisbasis van de kinderen van Venus.

Zelfs als de aarde de enige planeet in ons zonnestelsel blijkt te zijn die leven herbergt, bevatten veel andere zonnestelsels in het universum zogenaamde exoplaneten.

In 1995 ontdekten Zwitserse astronomen de eerste exoplaneet die rond een zonachtige ster draait. Bekend als 51 Pegasi b, blijkt de exoplaneet een weinig belovend huis voor het leven te zijn – een gezwollen gasreus groter dan Jupiter en 1800 graden Fahrenheit warm.

In de jaren die volgden, ontdekten wetenschappers Meer dan 5.000 andere exoplaneten. Sommige zijn erg aardachtig – ongeveer even groot, gemaakt van steen in plaats van gas en cirkelen in de “Goldilocks Zone” rond hun ster, niet te dicht bij het koken maar niet ver genoeg om te bevriezen.

Helaas heeft de relatief kleine omvang van deze exoplaneten het tot nu toe extreem moeilijk gemaakt om ze te bestuderen. De James Webb Space Telescope, die afgelopen kerst werd gelanceerd, zal daar verandering in brengen door als een vergrootglas te fungeren zodat astronomen deze werelden beter kunnen bekijken.

Sinds de lancering vanuit Kourou, Frans-Guyana, heeft de telescoop ik reisde Op een miljoen mijl van de aarde komt het in zijn baan rond de zon. Daar schermt een schild zijn 5 meter lange spiegel af van warmte of licht van de zon of de grond. In deze diepe duisternis kan de telescoop zwakke, verre lichtstralen detecteren, inclusief die welke nieuwe details over verre planeten zouden kunnen onthullen.

Dr. Mansfield zei dat de ruimtetelescoop “het eerste grote ruimteobservatorium is dat in zijn ontwerp rekening houdt met de studie van de atmosferen van exoplaneten.”

NASA-ingenieurs zijn medio juni begonnen met het maken van foto’s van een reeks objecten met de Webb-telescoop en zullen hun eerste afbeeldingen op 12 juli voor het publiek vrijgeven.

De exoplaneten zullen in die eerste reeks afbeeldingen zitten, zei Eric Smith, de hoofdwetenschapper van het programma. Aangezien de telescoop een relatief korte tijd zal besteden aan het observeren van de exoplaneten, beschouwde Dr. Smith die eerste beelden als een “quick and dirty” kijk op de kracht van de telescoop.

Deze snelle blikken zullen volgen op een reeks veel langere waarnemingen, die in juli beginnen, en een duidelijker beeld geven van de exoplaneten.

Een aantal teams van astronomen zijn van plan om een ​​kijkje te nemen naar zeven planeten in een baan rond een ster genaamd Trappist-1. Eerdere waarnemingen gaven aan dat drie van de planeten de bewoonbare zone bezetten.

“Het is een ideale plek om naar sporen van leven buiten het zonnestelsel te zoeken”, zegt Olivia Lim, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Montreal die vanaf ongeveer 4 juli de Trappist-1-planeten gaat observeren.

Aangezien Trappist-1 een kleine, koude ster is, is zijn bewoonbare zone dichterbij dan in ons zonnestelsel. Dientengevolge draaien de potentieel bewoonbare planeten van dichtbij in een baan en hebben ze slechts een paar dagen nodig om rond de ster te draaien. Elke keer dat de planeten voor Trappist-1 passeren, kunnen wetenschappers een fundamentele maar cruciale vraag beantwoorden: heeft een van hen een atmosfeer?

“Als het geen lucht had, zou het niet bewoonbaar zijn, zelfs als het in een bewoonbaar gebied was”, zei Nicole Lewis, een astronoom aan de Cornell University.

Dr. Lewis en andere astronomen zouden niet verbaasd zijn als ze geen atmosferen zouden vinden rond de planeten Trappist-1. Zelfs als de planeten een atmosfeer hadden ontwikkeld toen ze zich vormden, kan de ster ze lang geleden hebben weggeblazen met behulp van ultraviolet en röntgenstralen.

“Het is mogelijk dat ze de hele atmosfeer van een planeet kunnen verwijderen voordat deze zelfs maar de kans heeft gehad om leven te creëren”, zei Dr. Mansfield. “Dat is de eerste vraag die we hier proberen te beantwoorden: of deze planeten een atmosfeer kunnen hebben die lang genoeg is om leven te kunnen ontwikkelen.”

Een planeet die voor Trappist-1 passeert, zal een kleine schaduw creëren, maar de schaduw zal te klein zijn voor een ruimtetelescoop om op te pikken. In plaats daarvan zal de telescoop een lichte verzwakking van het licht van de ster detecteren.

“Het is alsof je naar een zonsverduistering kijkt met je ogen dicht”, zegt Jacob Lustig-Jeiger, een astronoom die een postdoctoraal onderzoek deed aan het Johns Hopkins Laboratory of Applied Physics. ‘Misschien heb je het gevoel dat het licht is gedimd.’

Een planeet met een atmosfeer zou de ster erachter anders verduisteren dan een naakte planeet. Een deel van het licht van de ster gaat rechtstreeks door de atmosfeer, maar gassen absorberen licht op bepaalde golflengten. Als astronomen alleen op die golflengten naar het sterlicht zouden kijken, zou de planeet Trappist-1 nog meer dimmen.

De telescoop stuurt deze Trappist-1-waarnemingen terug naar de aarde. En dan krijg je een e-mail als: ‘Hé, je gegevens zijn beschikbaar’, zei Dr. Mansfield.

Maar het licht van Trappist-1 zal zo zwak zijn dat het tijd kost om het te begrijpen. “Je oog is gewend om met miljoenen fotonen per seconde om te gaan,” zei Dr. Smith. “Maar deze telescopen verzamelen slechts een paar fotonen per seconde.”

Voordat Dr. Mansfield of haar collega-astronomen de exoplaneten kunnen analyseren die voor Trappist-1 passeren, zullen ze ze eerst moeten onderscheiden van de kleine fluctuaties die worden veroorzaakt door het speciale mechanisme van de telescoop.

“Veel van het werk dat ik doe, is ervoor zorgen dat we zorgvuldig corrigeren wat voor vreemde dingen de telescoop ook doet, zodat we die zeer kleine signalen kunnen zien,” zei Dr. Mansfield.

Aan het einde van deze inspanningen zullen Dr. Mansfield en haar collega’s misschien een sfeer rond Trappist-1 ontdekken. Maar dit resultaat alleen zal de aard van de atmosfeer niet onthullen. Het kan rijk zijn aan stikstof en zuurstof, zoals op aarde, of verwant aan de giftige soep van koolstofdioxide en zwavelzuur op Venus. Of het kan een combinatie zijn die wetenschappers nog nooit eerder hebben gezien.

“We hebben geen idee waar deze atmosferen van gemaakt zijn”, zegt Alexander Rathke, een astronoom aan de Technische Universiteit van Denemarken. “We hebben ideeën en simulaties en al die dingen, maar we hebben echt geen idee. We moeten gaan kijken.”

De James Webb-ruimtetelescoop, ook wel de JWST genoemd, kan krachtig genoeg blijken om de specifieke componenten van exoplaneetatmosferen te bepalen, omdat elk type deeltje een ander golflengtebereik van licht absorbeert.

Maar deze ontdekkingen zullen afhangen van het weer op de buitenste planeten. Een heldere, reflecterende wolkendeken zou kunnen voorkomen dat sterrenlicht de atmosfeer van een exoplaneet binnendringt, waardoor elke poging om ruimtelucht te vinden teniet wordt gedaan.

“Het is echt moeilijk om onderscheid te maken tussen een atmosfeer met wolken en zonder atmosfeer,” zei Dr. Rathcke.

Als het weer meewerkt, willen astronomen vooral weten of exoplaneten water in hun atmosfeer hebben. Water is in ieder geval op aarde een voorwaarde voor biologie. “We denken dat dat waarschijnlijk een goed startpunt zou zijn voor de zoektocht naar leven,” zei Dr. Mansfield.

Maar een waterige atmosfeer betekent niet noodzakelijkerwijs dat een exoplaneet leven herbergt. Om er zeker van te zijn dat een planeet leeft, zullen wetenschappers een biomarker, een molecuul of een groep van verschillende moleculen moeten ontdekken die karakteristiek worden gevormd door levende organismen.

Wetenschappers discussiëren nog steeds over wat een betrouwbare biosignatuur is. De atmosfeer van de aarde is uniek in ons zonnestelsel omdat deze veel zuurstof bevat, grotendeels het product van planten en algen. Maar zuurstof kan ook worden geproduceerd zonder de hulp van leven, wanneer watermoleculen in de lucht zich splitsen. Evenzo kan methaan vrijkomen door levende microben, maar ook door vulkanen.

Het is mogelijk dat er een bepaalde gasbalans is die een duidelijke vitale afdruk kan geven, die niet kan worden gehandhaafd zonder de hulp van het leven.

“We hebben zeer gunstige scenario’s nodig om deze vitale vingerafdrukken te vinden,” zei Dr. Rathcke. “Ik zeg niet dat het niet mogelijk is. Ik vind het gewoon vergezocht. We moeten heel veel geluk hebben.”

Om zo’n balans te vinden, zou de Webb-telescoop een planeet moeten observeren die vaak voor Trappist-1 passeert, zei Joshua Krissansen-Totton, een planetaire wetenschapper aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz.

“Als iemand in de komende vijf jaar naar voren zou komen en zou zeggen: ‘Ja, we hebben het leven gevonden met JWST’, dan zou ik erg sceptisch zijn over die bewering,” zei Dr. Krissansen-Totton.

Het is mogelijk dat de James Webb-ruimtetelescoop simpelweg geen biometrie kan vinden. Deze missie moet mogelijk wachten op de volgende generatie ruimtetelescopen, meer dan een decennium later. Het zou deze exoplaneten op dezelfde manier bestuderen als mensen naar Mars of Venus aan de nachtelijke hemel kijken: door de reflectie van sterlicht op hen te observeren tegen de zwarte achtergrond van de ruimte, in plaats van wanneer ze voor een ster passeren.

“Meestal zullen we de zeer belangrijke fundering voor toekomstige telescopen laten werken”, voorspelde Dr. Rathcke. “Ik zou zeer verrast zijn als JWST biometrische vingerafdrukdetecties zou introduceren, maar ik hoop gecorrigeerd te worden. Ik bedoel, dat is eigenlijk waar ik dit werk voor doe.”